基于微米CT掃描驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的稠油油藏剩余油特征分析新方法

謝明英，戴 宗，羅東紅，李海龍，唐 放，涂志勇，朱 健，王晨晨,3.

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司研究院，廣東深圳 518000；2.數(shù)巖科技(廈門(mén))股份有限公司，北京 100094；3.長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100)

隨著常規(guī)儲(chǔ)層油氣資源儲(chǔ)量的減少，非常規(guī)儲(chǔ)層油氣已經(jīng)成為油氣勘探的重要領(lǐng)域。我國(guó)南海東部海域P油田的油藏為典型的疏松砂巖稠油油藏，疏松砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，在稠油開(kāi)采過(guò)程中滯留大量剩余油，受原油物性及儲(chǔ)層性質(zhì)的影響，剩余油分布不確定性大，油田亟須精確描述剩余油，為進(jìn)一步挖潛提供條件[1]。目前，剩余油研究的傳統(tǒng)方法多基于宏觀(guān)尺度，對(duì)剩余油的宏觀(guān)分布研究和數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā)已經(jīng)比較成熟，然而僅僅通過(guò)宏觀(guān)尺度研究無(wú)法對(duì)剩余油形成與分布的機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行有效解決。針對(duì)儲(chǔ)集空間中的微觀(guān)剩余油分布規(guī)律，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者們都進(jìn)行了大量的相關(guān)工作，并取得了一些研究成果[2-8]。目前，微觀(guān)剩余油分析方法主要包括激光共聚焦掃描顯微檢測(cè)方法[9-12]、核磁共振成像方法[13-15]、含油薄片方法[16-17]和X射線(xiàn)CT成像方法[18]等。

其中，基于X射線(xiàn)的CT掃描成像方法是利用X射線(xiàn)穿透物體內(nèi)部時(shí)發(fā)生衰減，進(jìn)而通過(guò)衰減圖像重構(gòu)相應(yīng)的三維模型。微米CT掃描巖心最大的特點(diǎn)是可以在不破壞巖石樣品的前提下對(duì)巖石內(nèi)部的三維空間進(jìn)行成像展示，微米CT掃描獲取的巖心圖像包含的是X射線(xiàn)在穿透巖心過(guò)程中的能量衰減信息，能夠精確描述巖心內(nèi)部的三維孔隙結(jié)構(gòu)和不同礦物的相對(duì)密度大小?；赬射線(xiàn)的CT掃描成像方法可以在高精度下直接獲取真實(shí)巖心孔隙空間中的流體分布圖像高分辨率的真實(shí)巖心孔隙空間中多相流體分布圖像，與其他方法相比具有很大優(yōu)勢(shì)。

本文基于巖心柱塞子樣，結(jié)合室內(nèi)驅(qū)替和X射線(xiàn)CT掃描成像實(shí)驗(yàn)，在保持巖石形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)完整性的前提下，觀(guān)測(cè)到巖心的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同驅(qū)替階段巖心孔隙中的流體分布進(jìn)行定量表征，為研究?jī)?chǔ)層的地下油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、剩余油分布機(jī)理等提供依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)比不同驅(qū)替階段剩余油的賦存狀態(tài)，需要將室內(nèi)微觀(guān)兩相流驅(qū)替設(shè)備和微米CT掃描設(shè)備進(jìn)行組合測(cè)試。室內(nèi)微觀(guān)驅(qū)替設(shè)備與油水相滲實(shí)驗(yàn)驅(qū)替系統(tǒng)基本一致，不同的是微觀(guān)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)使用的巖心夾持器采用特別定做的碳纖維夾持器，這是因?yàn)樘祭w維夾持器的X射線(xiàn)透過(guò)性好。同時(shí)，為了更好地分割掃描圖像中的油相、水相，在配置鹽水中加入一定濃度比例的KI溶液。微米CT驅(qū)替掃描采用相關(guān)的掃描系統(tǒng)、泵注入系統(tǒng)、泵圍壓系統(tǒng)及配備相應(yīng)的巖心夾持器和快速閥，對(duì)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的不同階段進(jìn)行微米尺度掃描，直至含水達(dá)到98%[19-20]。

基于南海P油田疏松砂巖巖樣，鉆取微米子樣，將室內(nèi)微觀(guān)兩相流驅(qū)替設(shè)備和微米CT掃描設(shè)備進(jìn)行組合測(cè)試，獲取不同驅(qū)替階段的CT掃描圖像，對(duì)比不同驅(qū)替階段剩余油的賦存狀態(tài)。CT掃描方案采用原位掃描模式，使用特制的巖心夾持器與CT掃描設(shè)備相配合，巖心尺寸為8 mm×20 mm，小巖心在原25 mm直徑柱塞上鉆取。油水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采用通常的儲(chǔ)層流動(dòng)評(píng)價(jià)流程的設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)流體配方：實(shí)驗(yàn)用油為硅油，黏度為400 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用水為30%的KI，黏度為1 mPa·s。

具體驅(qū)替掃描實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)準(zhǔn)備工作：巖樣鉆取后在70 ℃條件下烘干12 h，記錄巖心的直徑、長(zhǎng)度，直徑為8 mm，長(zhǎng)度為2 cm。

(2)將巖心放入夾持器中，圍壓為2 MPa，穩(wěn)定2 h后，設(shè)置CT掃描儀器參數(shù)，進(jìn)行第一次CT掃描，掃描分辨率為2.501 3 μm。

(3)飽和水：巖心抽真空4 h，飽和水2 h以上，至夾持器出口見(jiàn)水后并持續(xù)出水。按照干巖心掃描參數(shù)進(jìn)行第二次原位CT掃描。

(4)飽和油：采用恒速0.01 mL/min的速度飽和油，逐步將流量調(diào)至0.20 mL/min，圍壓為2 MPa，直至不出水為止。此時(shí)巖樣處于飽和油和束縛水狀態(tài)，按照干巖心掃描參數(shù)進(jìn)行第三次原位CT掃描。

(5)一次水驅(qū)：采用恒速0.01 mL/min的速度水驅(qū)，水驅(qū)1～2 孔隙體積(PV)，按照干巖心掃描參數(shù)進(jìn)行第四次原位CT掃描。

(6)二次水驅(qū)：采用恒速0.02 mL/min的速度水驅(qū)，水驅(qū)10 PV以上，按照干巖心掃描參數(shù)進(jìn)行第五次原位CT掃描。

(7)三次水驅(qū)：采用恒速0.2 mL/min的速度水驅(qū)，水驅(qū)10 PV以上，按照干巖心掃描參數(shù)進(jìn)行第六次原位CT掃描。

微米CT掃描驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于疏松砂巖微米子樣，將室內(nèi)微觀(guān)兩相流驅(qū)替設(shè)備和微米CT掃描設(shè)備組合進(jìn)行掃描驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，可獲取干巖樣、飽和水狀態(tài)、飽和油狀態(tài)、一次水驅(qū)狀態(tài)、二次水驅(qū)狀態(tài)和三次水驅(qū)狀態(tài)下的CT掃描灰度圖像。如圖2a干巖樣CT掃描灰度圖像所示，巖石孔隙空間部分由于在X射線(xiàn)穿透過(guò)程中不發(fā)生衰減，顯示為黑色部分；其他顆粒由于密度不同，因此對(duì)X射線(xiàn)的吸收程度不同，其中，高密度礦物為較亮的灰色部分，低密度礦物為較暗的灰色部分。在圖2b～2f中，由于巖石孔隙空間均含有流體，因此在相應(yīng)的CT掃描圖像中，對(duì)應(yīng)干巖樣孔隙空間中的黑色部分為油相、亮色部分為水相。

圖2 不同驅(qū)替狀態(tài)下的CT掃描灰度圖像(分辨率3 μm)Fig.2 CT scanning image at different displacement stage注：圖2a中黑色為孔隙相，其他灰色為顆粒相；圖2b～2f中，孔隙相中的黑色部分為油相，孔隙相中的亮色部分為水相。

2.1 不同驅(qū)替狀態(tài)下的含水飽和度分析

CT掃描灰度圖像反映的是樣品中不同物質(zhì)的相對(duì)密度。對(duì)干巖樣的CT掃描灰度圖像進(jìn)行分割提取相應(yīng)的孔隙空間，進(jìn)而可計(jì)算出巖心相應(yīng)的孔隙度為28.54%，滲透率為12 201 mD。

以干巖樣CT掃描圖像分割得到的孔隙相為標(biāo)定，對(duì)飽和水狀態(tài)、飽和油狀態(tài)、一次水驅(qū)狀態(tài)、二次水驅(qū)狀態(tài)和三次水驅(qū)狀態(tài)下的CT掃描灰度圖像進(jìn)行圖像分割，由于在配置鹽水中加入了一定濃度比例的KI溶液，因此可利用不同相的灰度值劃分出油相、水相與顆粒相，進(jìn)而獲得不同驅(qū)替狀態(tài)下的油水分布圖像，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)不同驅(qū)替狀態(tài)下的含水飽和度進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

圖3 不同驅(qū)替狀態(tài)下的油水分布圖像Fig.3 Oil-water distribution at different displacement stage

表1 不同驅(qū)替狀態(tài)下的含水飽和度Table 1 Water saturation under different flooding state

可以看出，在一次水驅(qū)過(guò)程中，由于水相驅(qū)替速度較低，油相空間仍然占據(jù)較大相互連通。在二次水驅(qū)過(guò)程中，由于水相驅(qū)替速度提高，孔隙中的水被進(jìn)一步驅(qū)替出來(lái)，水相空間占據(jù)較大空間。在三次水驅(qū)過(guò)程中，由于水相驅(qū)替速度進(jìn)一步提高，孔隙中的水被進(jìn)一步驅(qū)替出來(lái)，水相占據(jù)空間進(jìn)一步增大。

2.2 不同驅(qū)替狀態(tài)下的剩余油特征分析

一次水驅(qū)及二次水驅(qū)過(guò)程隨著水驅(qū)的深入，油相不斷被驅(qū)替運(yùn)移，水相逐步連片。一次水驅(qū)采出程度為75.2%，二次水驅(qū)采出程度為1.1%，三次水驅(qū)采出程度為0.3%?？梢钥闯?，一次水驅(qū)采出程度較高，反映了樣品孔隙結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較好，在此驅(qū)替條件下大部分的油被驅(qū)替出去；二次水驅(qū)及三次水驅(qū)采出油呈連片狀分布的較少，大部分以獨(dú)立分散的油滴存在。

如圖4所示，基于不同驅(qū)替狀態(tài)下的油水分布圖像可提取出相應(yīng)的剩余油分布圖像，進(jìn)而進(jìn)行各狀態(tài)下剩余油滴半徑分布的分析。不同驅(qū)替狀態(tài)下的剩余油分析結(jié)果如圖5所示，可以看出，等效油滴半徑大于100 μm的在剩余油中占比最大，體積越大的油滴越不易被整體驅(qū)替，這與這些較大油滴所賦存或被控制的流動(dòng)喉道較小有關(guān)。

圖4 不同驅(qū)替狀態(tài)下的剩余油分布圖像Fig.4 Remaining oil distribution at different displacement stage注：不同顏色代表不同孤立的油滴。

圖5 不同驅(qū)替狀態(tài)下的剩余油分析Fig.5 Remaining oil analysis at different displacement stage

2.3 水驅(qū)最終狀態(tài)下的殘余油特征分析

在水驅(qū)油開(kāi)采過(guò)程中，水相不斷地打散油相，從而將連續(xù)的油相轉(zhuǎn)為非連續(xù)相，孔隙空間結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性對(duì)殘余油的分布影響很大。根據(jù)接觸比、形狀因子和比歐拉示性數(shù)，可以將殘余油分為5種類(lèi)型：膜狀殘余油、滴狀殘余油、多孔狀殘余油、柱狀殘余油和簇狀殘余油[19]，其中膜狀殘余油、滴狀殘余油、多孔狀殘余油、柱狀殘余油均為非連續(xù)相，簇狀殘余油為連續(xù)相。通過(guò)圖像處理可以獲取水驅(qū)最終狀態(tài)下的殘余油分布狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算相應(yīng)的殘余油類(lèi)別及比例(圖6)。其中，簇狀殘余油、多孔狀殘余油、滴狀殘余油、柱狀殘余油、膜狀殘余油占比分別為59.4%、40%、0.29%、0.3%、0.01%，由于簇狀殘余油為連續(xù)相，因此剩余油中簇狀殘余油的占比較大，小的獨(dú)立分散的油滴占比相對(duì)較少。

圖6 水驅(qū)最終狀態(tài)下的殘余油分布Fig.6 Residual oil distribution at final waterflooding state注：b～f中不同顏色代表不同殘余油類(lèi)型。

由結(jié)果可知，一次水驅(qū)采出程度較高，提高水驅(qū)強(qiáng)度并未產(chǎn)生較好的采出效果，因此可通過(guò)其他提高采收率手段進(jìn)行殘余油的挖潛。

3 結(jié)論

通過(guò)將室內(nèi)微觀(guān)兩相流驅(qū)替設(shè)備和微米CT掃描設(shè)備進(jìn)行組合，進(jìn)行了不同驅(qū)替階段的CT掃描實(shí)驗(yàn)，以三維圖像方式記錄巖樣的水驅(qū)油過(guò)程，應(yīng)用基于圖像分析的數(shù)字巖心技術(shù)劃分出油相、水相與基質(zhì)相，獲取了一次水驅(qū)、二次水驅(qū)和三次水驅(qū)的含水飽和度并直觀(guān)展示了水驅(qū)后不同階段剩余油的賦存狀態(tài)。

(1)一次水驅(qū)過(guò)程中由于水相驅(qū)替速度較低，油相空間仍然占據(jù)較大相互連通；二次水驅(qū)過(guò)程中由于水相驅(qū)替速度提高，孔隙中的水被進(jìn)一步驅(qū)替出來(lái)，水相占據(jù)較大空間；三次水驅(qū)過(guò)程中由于水相驅(qū)替速度進(jìn)一步提高，孔隙中的水被進(jìn)一步驅(qū)替出來(lái)，水相占據(jù)空間進(jìn)一步增大。

(2)基于不同驅(qū)替狀態(tài)下的剩余油分布圖像可以看出，一次水驅(qū)采出程度較高，反映了樣品孔隙結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較好，在此驅(qū)替條件下大部分的油被驅(qū)替出去，二次水驅(qū)及三次水驅(qū)采出油呈連片狀分布的較少，大部分以獨(dú)立分散的油滴存在。通過(guò)剩余油滴半徑分布分析發(fā)現(xiàn)等效油滴半徑大于100 μm的在剩余油中占比最大，體積越大的油滴越不易被整體驅(qū)替，這與這些較大油滴所賦存或被控制的流動(dòng)喉道較小有關(guān)。

(3)對(duì)水驅(qū)最終狀態(tài)的CT圖像進(jìn)行處理得到相應(yīng)的三維流體模型，根據(jù)殘余油分布狀態(tài)分類(lèi)，可以計(jì)算相應(yīng)的殘余油類(lèi)別及比例。其中，簇狀殘余油、多孔狀殘余油、滴狀殘余油、柱狀殘余油、膜狀殘余油占比分別為59.4%、40%、0.29%、0.3%、0.01%。由于簇狀殘余油為連續(xù)相，因此剩余油中簇狀殘余油占比較大，小的獨(dú)立分散的油滴占比相對(duì)較少。由于一次水驅(qū)采出程度較高，提高水驅(qū)強(qiáng)度并未產(chǎn)生較好的采出效果，因此可通過(guò)其他提高采收率手段進(jìn)行殘余油的挖潛。